前言：寻找写作灵感？中文期刊网用心挑选的铸件毛坯自动修复机器人设计与实验，希望能为您的阅读和创作带来灵感，欢迎大家阅读并分享。
摘要:随着3D打印技术的发展，增材再制造技术也成为各类零件缺陷自动修复的手段之一。针对大型铸件缺陷的修复以人工堆焊为主，存在效率低、对工人伤害大、修复合格率低等缺点。为此，提出了利用3D打印再制造技术对缺陷进行自动修复的工艺方法，即利用视觉系统对工件自动扫描重构工件三维模型，并与标准CAD模型比对，确定缺陷的类型、分布及尺度特征，获取各损伤部位的3D点云数据，根据缺陷模型自动编程并生成机器人程序，驱动执行机构依次完成各缺陷自动焊接修复。实验结果表明:工件缺陷重构模型精度在±0.1mm以内，扫描速度为1000mm/min，自动焊接修复工件无焊接缺陷，各项性能指标满足实际使用要求。
0前言
随着数字化、智能化、自动化等技术的发展，3D打印技术得到了飞速的发展，特别是最近10年，产品的制造过程基本实现了计算机自动控制［1－2］。现代产品三维数据模型基本由CAD软件设计或者利用扫描点云等逆向工程手段获得。毛坯缺陷修复即可利用增材制造的原理，在获得修复对象缺陷三维模型数据的基础上，按照规划的工艺路径“自下而上”地逐层累加，直至将缺陷填补完整，也称为“3D打印自动修复技术”［3－4］。针对金属零部件增材制造再制造技术，一直是业内公认的最具挑战性的前沿发展方向之一，也是主要研究难点与热点［5－6］。金属增材制造技术主要有粉末熔融及送丝熔融两种工艺方法［7］，但是粉末熔融由于生产成本高、材料利用率低、使用环境要求高等问题，主要应用于结构复杂、小型单件、对成本不敏感的场合［8］;而送丝熔融则存在材料利用率高、使用环境要求低等优点，适合大型构件的毛坯制造或修复［9－10］。本文作者针对大型铸件毛坯缺陷的自动修复问题，提出了缺陷部位自动三维建模、自动规划修复工艺路径及自动增材制造修复的全新工艺及设备方案，实现了修复过程中除人工上下料之外的全自动化，有效提升了修复过程的自动化、数字化及智能化程度，彻底将工人从恶劣的工作环境中解放出来。
1铸件缺陷修复工艺分析
大型零件铸造是国家重大装备制造的基础，其质量将直接影响重大项目的进展及实施质量［11］。大型铸件广泛应用于风电、水电、核电、化工、船舶、高铁等领域，其在制造的过程中不可避免地会出现各种各样的缺陷，从而导致零件性能下降甚至无法使用［12］。当铸件出现缺陷时，一般可以通过修复解决，而铸件的缺陷很大一部分是通过焊接的方式进行修复的，这样既可以挽回大额经济损失，也可以节约能源及材料。针对大型铸件缺陷的焊接修复，目前主要以人工修复为主，主要存在如下问题:缺陷焊接修复对工人技术水平要求高，且工作环境恶劣，产生的弧光及有害气体等对身体伤害很大;由于缺陷一般都较大，故焊接修复时间均较长，会出现一个缺陷多人轮班修复的情况，焊接修复合格率难以保证。针对上述情况，为降低成本、改善工人工作环境、提高焊接修复合格率，提出了利用3D打印再制造技术对缺陷进行自动修复的工艺方法，即利用机器视觉技术对有缺陷的零件扫描，与完好的标准模型做比对，找出缺陷区域并获得三维数据，根据缺陷模型规划堆焊路径，然后利用离线编程技术生成机器人运动程序，最后驱动机器人带着焊枪对工件的缺陷依次进行修复的工艺方案。采用此工艺方案后，主要技术优势体现如下:(1)除了人工对工件进行吊装外，其他均实现了自动化及智能化生产;(2)杜绝因工人技术水平及疲劳等引起的焊接修复质量问题，自动焊接修复成形组织成分均匀、力学性能良好，焊接修复合格率能得到极大提高;(3)杜绝弧光、有害气体等对人体的伤害;(4)机器替代人工后，能有效解决焊接工人人力资源紧缺问题;(5)该方案适用于各种金属材料铸件缺陷的自动修复，应用范围广。
2自动修复机器人及视觉系统设计
2.1整体布局方案及结构设计
通过对某企业现有产品尺寸大小、现有场地、吊装设备等仔细分析对比，设计了如图1所示的整体布局方案，其三维模型及实物结构如图2所示。机床采用立式悬臂结构，主要由焊接系统、视觉系统、控制系统、五轴机器人本体等组成。机器人由X、Y、Z3个直线轴及R、W两个旋转轴组成。直线轴由伺服电机与滚珠丝杠驱动，直线轴有效行程分别为3000、2000、1000mm;R、W旋转轴可绕Z轴与X轴摆动，有效行程分别为±335°、±300°。其自动修复工艺流程如下:将有缺陷工件合理置于通用平台上，调整好机器人X、Y、Z3个轴的位置及视觉系统扫描头与工件的距离，机器人带着扫描头对工件进行扫描，并自动生成缺陷工件的三维模型，然后与完好的理论模型作比对，获得缺陷的位置及三维形貌数据，控制系统根据缺陷模型按照预定焊接工艺进行堆焊路径规划并形成焊接程序，最后，机器人按照焊接程序对工件缺陷一次进行堆焊修复，直至完成工件所有缺陷的修复。
2.2视觉系统设计与实验
机器视觉是使用最为广泛的三维建模技术，具有建模速度快、精度高、适用性广等优点。针对大型铸件缺陷自动修复的工作环境特点，本文作者采用线结构激光三维视觉建模技术，利用激光线的强光特性克服工厂复杂环境的影响，使用相机对激光线进行拍照来获取目标工件的三维模型。在获取工件的三维模型后，通过与标准工件的CAD模型进行对比，确定缺陷的类型、分布及尺度特征，获取各损伤部位的3D点云数据，用于后续的加工处理。视觉系统具体组成如图3所示，利用此系统获得的模型如图4所示，扫描速度为1000mm/min，模型精度为±0.1mm。
3焊接修复实验与效果
本文作者利用视觉修复机器人对实验零件做了修复工艺实验。由于实验室吊装及安全等问题，选择了较小的工件进行验证性工艺实验。工件为某不锈钢零件，因使用了4年左右，在其板体上产生了凹型坑状缺陷，如图5所示;利用视觉修复机器人扫描后得到的点云三维模型与标准CAD模型对比结果如图6所示;焊接路径如图7所示;然后利用机器人按照规划的工艺路径进行焊接修复，结果如图8所示;工件经时效、机械加工、探伤等处理，焊接层无任何气孔等焊接缺陷，满足实际使用要求。
4结论
(1)通过对铸件毛坯缺陷修复工艺的分析，针对现有技术的不足，提出了自动扫描三维重构模型与标准模型比对，确定缺陷的类型、分布及尺度特征，获取各损伤部位的3D点云数据，然后自动规划工艺路径并生产机器人运动程序，最后依次自动焊接修复的工艺与设备方案;(2)通过对企业实际需求分析，设计了由3个直线轴加2个旋转轴的机器人结构，并利用工业相机加线激光的视觉系统对工件进行实际扫描与标准模型比对，重构缺陷模型尺寸精度在±0.1mm以内，扫描速度为1000mm/min；(3)利用现有实验设备对缺陷工件进行工艺实验显示:缺陷模型尺寸及形位精度均满足自动焊接要求，自动修复后工件无焊接缺陷，满足实际使用要求，达到预期成效。
作者:田有贵 单位:安阳职业技术学院冶金工程系